Il bosone di Higgs tra arte e scienza

“Il Mistero dell’origine. Miti, Trasfigurazioni e Scienza” è l’installazione realizzata dalla Fondazione Carla Fendi in collaborazione con INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca Nucleare) in occasione della 61ª edizione del Festival dei Due Mondi di Spoleto. Dal 1 al 15 luglio l’opera ha permesso al pubblico di immergersi nel mondo della scienza attraverso una suggestiva storia dell’universo, dal Big Bang fino ai giorni nostri attraverso la nascita e l’evoluzione di stelle, pianeti e buchi neri, dando anche la possibilità di conoscere gli strumenti con cui si studia l’infinitamente grande e l’infinitamente piccolo. La Fondazione Carla Fendi ha deciso in questa occasione di assegnare il “Premio Carla Fendi 2018” a Peter Higgs e François Englert, premi Nobel nel 2013 per l’elaborazione del meccanismo di Higgs, e a Fabiola Gianotti, direttore generale del CERN e portavoce dell’esperimento ATLAS al momento della scoperta del bosone di Higgs.

Ma cos’è il bosone di Higgs?

Facciamo un passo indietro e torniamo al 4 luglio 2012. L’auditorium del CERN è gremito di scienziati e tra i tanti Peter Higgs, padre della teoria del meccanismo di Higgs, seduto in prima fila, assiste con grande commozione all’annuncio della scoperta del bosone omonimo, da lui teorizzato quasi 50 anni prima. Si tratta di un enorme passo avanti nel mondo della fisica delle particelle.

Perché questa scoperta è così importante?

L’universo è governato da quattro forze fondamentali, ovvero la forza debole, elettromagnetica, forte e gravitazionale. Negli anni ‘60 i fisici teorici realizzarono che tra due di queste, la forza debole e quella elettromagnetica, c’erano dei legami particolari, tanto da permettere di descriverle con una sola teoria, la teoria elettrodebole. Le equazioni di questa teoria unificata descrivevano perfettamente la forza elettrodebole e le particelle portatrici di tale forza, ovvero il fotone e i bosoni W e Z. Tutto sembrava perfetto, fatta eccezione per un piccolo ma fondamentale dettaglio: nella teoria tutte le particelle sembravano non avere massa. Ed è qui che entra in scena Peter Higgs insieme ai suoi colleghi François Englert e Robert Brout, i quali propongono il meccanismo di Brout-Englert-Higgs per risolvere il problema. Il meccanismo prevede che i bosoni W e Z (e anche tutte le altre particelle elementari massive come gli elettroni e i quark) acquisiscano la loro massa interagendo con il cosiddetto campo di Higgs, un campo invisibile che pervade l’intero universo, di cui il bosone di Higgs è la manifestazione visibile, così come la è un’onda sulla superficie del mare.

Quindi, quali sono le caratteristiche del bosone di Higgs e come si fa a vederlo?

L’Higgs è stato osservato da due esperimenti del CERN, CMS e ATLAS. Quello che accade è che nell’anello acceleratore del CERN, LHC, vengono accelerati dei fasci di protoni quasi fino alla velocità della luce e vengono fatti collidere nei punti in cui sono situati gli esperimenti, dove sono installati dei rivelatori creati apposta per poter “vedere” le particelle. Quando i fasci di protoni si scontrano vengono generate moltissime particelle, tra le quali potrebbe anche esserci un bosone di Higgs. Questo bosone si riesce a riconoscere tra le altre particelle perché, avendo una vita breve, dopo poco decade producendo una serie di particelle che possiedono un’energia totale pari a quella dell’Higgs e che non possono essere ricondotte al decadimento di altre particelle instabili. Tuttavia non è così facile osservare questo fenomeno, in quanto si verifica raramente e, come già detto, nel punto in cui i protoni collidono il numero di particelle prodotte è elevatissimo. Di seguito ho riportato un grafico dell’esperimento CMS relativo al caso del decadimento del bosone in due fotoni, potete vedere come in corrispondenza dell’energia totale dei fotoni pari a quella dell’Higgs (che in questo caso corrisponde anche al valore di massa, pari a 125.3 GeV, dove il GeV è un’unità di misura usata per misurare le masse in fisica delle particelle) compaia un aumento del numero di fotoni rivelati rispetto alla linea del fondo che prende il nome di risonanza.

La scoperta del bosone di Higgs è stata quindi fondamentale per verificare la validità della teoria di Higgs e di completare l’osservazione delle particelle elementari che costituiscono il Modello Standard, la teoria che descrive tutte le interazioni tra le particelle, testimoniando ancora una volta la sua solidità, e ha aperto la strada verso nuovi orizzonti nella ricerca della fisica nucleare. Ma il Modello Standard è davvero la teoria definitiva? Ci permette davvero di spiegare tutto quello che concerne il mondo dell’infinitamente piccolo? La risposta è no, rimane ancora molto da capire che la teoria non comprende, ma di questo argomento tratterò in uno dei prossimi approfondimenti.

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